KR20030011666A - 제품의 성형을 위한 방법 및 이때 사용하는 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제품의 성형을 위한 방법 및 이때 사용하는 금형에 관한 것으로서, 금형의 캐비티를 구성하는 로우 서멀 매스(Low thermal mass)를 갖는 승온층(Heating layer)과 그 배면에 공기층을 갖는 단열층(Insulation layer)의 2가지 기능을 수행하는 셸을 포함하여 금형을 구성하고, 이러한 금형의 캐비티를 인덕션 히팅방법 등과 같은 각종 히팅방법을 사용하여 적극적으로 빨리 균일하게 승온하고, 또 냉각관에 냉매를 순환시켜 빨리 냉각시키는 방법을 사용하여 승온효과와 냉각효과를 동시에 만족시킬 수 있도록 함으로써, 성형품의 품질 및 성능향상과 더불어 성형 사이클 시간의 단축을 기대할 수 있도록 한 제품의 성형을 위한 방법 및 이때 사용하는 금형을 제공하고자 한 것이다.

Description

제품의 성형을 위한 방법 및 이때 사용하는 금형{Method and mold for molding of plastic articles}

본 발명은 제품의 성형을 위한 방법 및 이때 사용하는 금형에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 공지된 각종 히팅방법을 사용하여 금형의 캐비티를 적극적으로 신속하고 균일하게 승온시킬 수 있도록 하는 한편, 승온층과 단열층의 기능을 갖는 셸(Shell)을 사용하여 금형의 캐비티를 구성함으로써, 성형 사이클 시간을 최소화하면서 성형품의 품질개선 및 성능향상을 도모할 수 있도록 한 제품의 성형을 위한 방법 및 이때 사용하는 금형에 관한 것이다.

일반적으로 플라스틱 등과 같은 제품의 성형은 인젝션 몰딩(사출성형), 블로우 몰딩(중공성형), 서모 포밍(열성형) 등의 방법을 이용하며, 변형이 가능한 온도로 가열된 성형재료, 예를 들면 열가소성 물질, 세라믹, 금속 등을 금형 캐비티에 주입한 후 금형 캐비티 형태로 복제하여 만들고, 변형하지 않을 온도로 냉각한 다음 금형으로부터 취출하여 성형품을 제조한다.

금형에 성형재료를 주입하여 성형 후 성형품을 빼어내고 다시 성형재료를 주입하는 과정을 반복적으로 수행하는 것을 성형 사이클이라 하며, 이러한 성형 사이클에 필요한 시간은 성형 생산성을 나타낸다.

보통 성형 사이클을 단축하기 위한 방법으로 금형의 온도를 가능한 낮게 하여 냉각시간을 단축시키고 있는데, 이러한 경우 냉각시간은 줄일 수 있지만 가열된 성형재료가 금형에 주입되는 단계에서 낮은 온도의 금형 캐비티 표면과 만나는 경계면에서 급냉되어 유동저항이 커져서 성형품의 표면에 결함이 생기거나, 또는 유동에 따른 응력이 많이 발생하여 성형품 내에 성형 후 잔류응력이 과다하게 형성되어 성형품의 품질이 저하되기도 한다.

또한, 두께가 얇으면서 긴 유로를 갖는 성형품의 경우 미성형이 되기도 하며, 이것을 방지하기 위하여 두께를 두껍게 설계할 수 밖에 없는 등 여러 가지의 문제가 있다.

또한, 성형품을 금형 내에서 급냉시키면 결정화가 충분히 일어나기 어려워 성형품의 성능이 충분히 발현되지 않는 경우도 있다.

이러한 점들을 개선하기 위하여 금형의 온도를 높이는 방법을 쓰는데 금형 전체의 온도를 높이고 다시 낮추기를 반복하는 공정은 서멀 메스(Thermal mass)가 커서 성형 사이클 시간이 길어져 생산성이 떨어 지므로 일반적으로 금형표면의 얇은 층을 승온시키는 방법을 쓴다.

승온되는 층과 금형 본체와의 사이에는 단열층을 구성한다.

그러나, 이와 같은 방법들은 승온과 냉각 간의 온도 차이가 큰 경우 승온층과 단열층이 박리되는 문제, 승온시간과 냉각시간 간의 상관관계를 동시에 만족시키지 못해 전체적인 성형 사이클 시간을 크게 줄이지 못하는 문제, 승온 및 냉각과정에서 금형 캐비티 표면에 균일한 온도를 얻기 어렵거나, 또는 원하는 데로 온도를 제어하는데 제약을 받는 문제 등을 나타내고 있다.

예를 들면, 미국 특허 제5234637호에서는 0.01~0.1mm의 구리로 승온층을 구성하고 절연물질로 단열층을 구성하면서 전기 가열방법과 금형 내의 채널을 이용하는 냉각방식을 채용하고 있는 기술을 제공하고 있으나, 전극의 설계상 곡면의 경우 전기가 균일하게 흐르지 못해 균일한 온도 분포를 얻기가 어렵고, 승온층 및 단열층의 두께가 얇아 냉각효과가 우수한 잇점이 있으나, 두께가 너무 얇아 특히 승온층을 균일하게 코팅하기 어렵고, 이렇게 균일하지 못한 두께로 코팅이 되어 있으면 전기가 균일하게 흐르지 못하고, 이로 인해 발열이 균일하지 못하여 과열 및 소손의 우려가 높은 단점이 있으며, 특히 고온의 조건에서 승온하는 경우 승온층 및 단열층의 박리현상이 발생될 수 있다.

또한, 미국 특허 제5064597호에서는 전기 가열방법을 채용하고 0.25~2.54mm 정도의 두께를 갖는 다층구조로 승온층 및 단열층을 구성한 기술을 제공하고 있으나, 여기서도 승온과 냉각에 따른 층의 박리현상이 발생하는 문제가 있으며, 균일하게 승온시키기 어려운 문제가 있다.

또한, 미국 특허 제5041247호에서는 카본 스틸, 스테인레스 스틸 등의 승온층과 다공성 메탈, 플라스틱 등의 단열층으로 구성되는 다층 구조를 채용하고, 금형 본체상의 냉각관을 통해 냉각하는 방식의 기술을 제공하고 있으나, 승온층과 단열층을 결합시킨 경우 승온과 냉각의 온도차이가 크게 발생하면 박리현상이 일어날 수 밖에 없는 한계를 보여주고 있으며, 또한 금형 본체만을 냉각시키므로 냉각시간 또한 길다.

즉, 위와 같이 기존에 제공되고 있는 여러 기술들은 승온 및 냉각방법의 효율적인 조합을 통해 성형 사이클 시간을 단축하는 측면과 연계하여 금형 캐비티 표면의 승온층이 최적의 두께를 갖도록 설계하는 방법이지만, 내구성이 떨어지고 균일한 승온이 어려우며 성형 사이클 시간을 보다 더 효과적으로 단축하는 방법을 제시하지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 임의의 곡면을 갖고 있는 성형품을 성형함에 있어서 금형의 캐비티를 구성하는 로우 서멀 매스(Low thermal mass)의 승온층(Heating layer)과 그 배면에 공기층을 갖는 단열층(Insulation layer)의 2가지 기능을 수행하는 셸을 포함하여 금형을 구성하여 승온층과 단열층의 박리현상이 근본적으로 없도록 함으로써, 내구성을 높이고, 고온 성형을 수행함으로써 성형품의 품질개선 및 성능향상을 도모하며, 또한 이러한 금형의 캐비티 표면을 인덕션 히팅방법 등을 사용하여 적극적으로 빨리 균일하게 승온하고, 또 냉각관에 냉매를 순환시켜 빨리 냉각시키는 방법을 사용하여 승온효과와 냉각효과를 동시에 만족시킬 수 있도록 함으로써, 성형 사이클 시간의 단축을 통한 성형 생산성 향상을 기대할 수 있도록 한 제품의 성형을 위한 방법 및 이때 사용하는 금형을 제공하는데 그 목적이 있다.

물론, 본 발명에서도 금형 캐비티 표면의 승온을 위하여 기존의 히팅방법인 냉각관에 가열시간동안 고온의 액체 또는 기체를 순환시키는 방법, 캐비티 표면에고온의 물체를 접촉시키는 방법 등이 사용될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금형의 전체적인 구조를 나타내는 단면도

도 2는 본 발명에 따른 금형에서 셸의 일 구현예를 보여주는 단면도

도 3은 본 발명에 따른 금형에서 한쪽 금형의 캐비티를 보여주는 사시도

도 4a 내지 4c는 도 2의 A-A 선 단면의 여러 구현예를 보여주는 단면도

도 5는 본 발명에 따른 금형에서 셸의 다른 구현예를 보여주는 단면도

도 6은 본 발명에 따른 금형에서 냉각관과 마이크로 채널 간의 연결구조에 대한 일 구현예를 보여주는 단면도 및 D-D 선 단면도

도 7은 본 발명에 따른 성형방법에서 인덕션 히팅방법을 보여주는 개략도

도 8은 본 발명에 따른 일 구현예를 보여주는 금형과 가열 및 냉각장치를 포함하는 전체적인 구성을 보여주는 사시도

도 9는 본 발명에 따른 금형의 일 구현예를 보여주는 개략적인 단면도 및 확대도

도 10은 본 발명에 따른 금형에서의 셸의 일 구현예를 보여주는 사시도

도 11a,11b는 본 발명에 따른 가열 및 냉각과정에서 시간에 따른 금형 캐비티 표면의 온도변화에 대한 일 실시예를 나타내는 그래프

도 12a,12b는 본 발명에 따른 가열 및 냉각과정에서 시간에 따른 금형 캐비티 표면의 온도변화에 대한 다른 실시예를 나타내는 그래프

도 13은 본 발명에 따른 금형을 용기 성형에 적용시킨 일 구현예를 보여주는 개략적인 사시도

도 14는 본 발명에 따른 성형방법에서 사용되는 인덕션 히팅코일의 일 구현예를 보여주는 사시도

도 15는 도 13의 B-B 선 단면도

도 16a 내지 16c는 도 15의 C 방향에서 본 셸의 여러 구현예를 보여주는 평면도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 금형의 좌 2 : 금형의 우

3,4 : 금형 본체 5 : 캐비티

6 : 파팅면 7,8 : 셸

9,10 : 셸 수용부 11,12 : 캐비티 표면

13 : 셸과 금형 본체 접합부

14,20 : 냉각관 15 : 마이크로 채널

16 : 승온층 17 : 단열층

18 : 마이크로 구멍 19 : 비자성재료의 셸

21 : 냉각수 라인 22 : 압공라인

23 : 유도 가열코일 24 : 병의 목부분 금형

25 : 병의 바닥부분 금형

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 제품의 성형을 위한 방법은 성형재료를 금형에 주입한 후 냉각단계를 거쳐 성형품을 제조하는 과정을 포함하는 제품의 성형을 위한 방법에 있어서, 소정의 두께를 갖는 표면의 승온층과 그 배면에 공기로 채워진 마이크로 채널을 갖는 단열층으로 이루어진 일체형의 셸로 금형 캐비티 표면을 구성하는 방법과, 0.5∼20초의 시간 동안에 금형 캐비티 표면을 50∼400℃의 온도로 히팅하여 승온시키고, 성형재료를 금형에 주입한 후 금형 본체에 냉매를 순환시켜 냉각시키거나 좀더 적극적으로는 금형 캐비티 배면의 단열층의 마이크로 채널에도 냉매를 순환시켜 냉각시키어 금형 캐비티 표면 온도를 0.5∼20초 이내에 원하는 온도로 냉각시키는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금형 캐비티 표면을 구성하는 과정에서 필요한 경우 승온층과 절연층을 이루는 상기 셸의 일부를 비자성물질로 대체하여 금형 캐비티 표면의 일부가 승온되지 않도록 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각효율을 위하여 금형 본체에 구성된 냉각관을 통해 냉매를 항상 순환시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각하는 과정에서 보다 적극적으로 냉각시킬 수 있는 것을 특징으로 하는데, 이는 승온층 배면의 단열층의 마이크로 채널에 냉매를 순환시키는 방식으로 금형 본체 내의 냉각관과는 별도의 냉각관을 구성하고 이를 마이크로 채널과 직접 연결시켜 냉매를 순환시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 승온 및 냉각하는 과정에서 승온 전에 단열층의 마이크로 채널 내의 냉매의 순환을 중지하고 압축공기 또는 진공으로 마이크로 채널 내의 냉매를 제거한 후 승온시키고 냉각 과정에 다시 냉매를 순환시키는 과정을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 제품의 성형을 위한 금형은 도 1에서, 캐비티(5)를 포함하는 금형의 좌(1), 우(2) 구성에 있어서, 좌 우 각각은 캐비티 표면(11 또는 12)의 역할을 하며 소정의 두께를 갖는 승온층(16)과, 상기 승온층(16)의 배면에 배열된 마이크로 채널(15) 또는 마이크로 구멍(18)으로 조성되는 단열층(17)으로 이루어진, 도 2 에 보이는 것과 같은, 일체형의 셸을 포함하고 셸이 밀착되는 금형 본체(3 또는 4)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도면에서 3과 4, 7과 8, 9와 10, 11과 12는 금형의 좌(1)와 우(2)에 각각 있는 부분으로 이하 하나만을 언급한다.

특히, 상기 셸(8)의 재질은 가열방법으로 인덕션 방법을 적용할 경우에는 인덕션 히팅이 가능한 자성체 재질인 것을 특징으로 한다.

또한, 도 3을 참조하면, 상기 셸(8)은 금형 본체(4)의 셸 수용부(10) 내에 밀착되면서 좌우 금형의 사이인 파팅면(6)을 이루는 면에서만 셸(8)과 셸 수용부(10) 간의 경계선(13)에서 합체되거나, 또는 상기 셸(8) 배면과 셸 수용부(10)가 모두 합체되어 일체로 조합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 셸(8)의 두께는 1∼25mm 정도이고 승온층(16)의 두께는 0.3∼10.0mm인 것을 특징으로 한다.

여기서, 승온층의 두께가 0.3mm 미만이면 가공이 어려울 뿐만 아니라 강도가 약해지고 온도의 균일성을 해치는 문제가 있고, 10.0mm을 초과하면 서멀 매스가 너무 커서 효율적이지 않다.

특히, 도 4a 내지 4c를 참조하면,상기 금형 캐비티를 구성하는 과정에서 단열층(17)은 마이크로 채널(15) 또는 마이크로 구멍(18)으로 만들어지며, 채널이나 구멍에 확보되는 공기층의 면적은 단열층의 20∼90%인 것을 특징으로 한다.

여기서, 공기층의 면적이 20% 미만이면 단열이 부족하고 90%를 초과하면 단열이 과하거나 또는 성형압력에 따른 셸(8)의 강도가 취약해지는 문제가 있다.

또한, 도 4a 내지 4c를 참조하면, 상기 마이크로 채널(15)은 단열층(17)의 배면에 직선형 또는 파형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마이크로 채널(15)은 폭이 0.3∼10.0mm 정도인 것을 특징으로 한다.

여기서, 마이크로 채널의 폭이 0.3mm 미만이면 가공이 어렵고 적극적으로 냉각을 위해 이곳에 냉각수를 순환시키는 경우 냉각수 순환에 문제가 있으며, 10.0mm 초과하면 온도의 균일도가 떨어지는 문제가 있다.

또한, 상기 마이크로 구멍(18)은 직경이 0.3∼10.0mm 정도인 것을 특징으로 한다.

여기서, 마이크로 구멍의 직경이 0.3mm 미만이면 가공이 어렵고, 10.0mm를초과하면 온도의 균일도가 떨어지는 문제가 있다.

또한, 도 5를 참조하면, 상기 금형 캐비티 표면을 구성하는 과정에서 필요한 경우 승온층과 단열층을 이루는 상기 셸의 일부(19)를 비자성물질로 대체하여 유도가열의 경우에 금형 캐비티 표면의 일부가 승온되지 않도록 셸의 일부를 비자성물체로 대체할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 승온 및 냉각하는 과정에서 냉각효율의 개선을 위해 금형 본체(4)에 구성된 냉각관(14)을 통해 냉매를 항상 순환시키 위하여 금형 본체(4)에 냉각관(14)을 설치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 도 6을 참조하면, 상기 냉각하는 과정에서 단열층의 마이크로 채널에 냉매를 순환시키는 방식인 경우, 금형 본체 내의 냉각관(14)과는 별도의 냉각관(20)을 구성하고 이를 마이크로 채널과 직접 연결시켜 냉각을 수행할 수 있도록 금형 본체(4) 내의 냉각관(14)과는 별도의 냉각관(20)을 마이크로 채널(15)과 직접 연결한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 제품의 성형을 위한 방법 및 금형에 대한 일 구현 예를 히팅방법으로 인덕션 방식을 채용하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

성형재료를 금형에 주입한 후 냉각단계를 거쳐 성형품을 제조하는 과정에서 금형 캐비티의 온도를 승온하는 방법으로는, 도 7을 참조하면, 성형품이 곡면을 갖는 경우에도 금형 캐비티의 전체 용적에 대해 균일한 온도 분포를 얻을 수 있는 인덕션 히팅방법을 적용한다.

이러한 인덕션 히팅방법은 금형이 열렸을 때 인덕션 히팅코일(23)을 금형 내에 삽입하여 승온하고, 인덕션 히팅코일을 빼낸 후 금형을 닫고 성형하는 순서로 작동될 수 있는데, 승온층이 얇고 그 배면에 단열층이 구성되어 있으므로, 원하는 온도까지 균일하게 금형 표면만을 신속히 승온할 수 있는 적극적인 방법이다.

승온층에 전류를 1차적으로 직접 흘리는 방법도 쓰일 수 있으나, 이 경우 금형 캐비티 표면에 전기를 연결할 전극을 부착하여야 하며 설계를 잘 한다고 하여도 임의의 곡면을 갖는 금형 캐비티 표면에 전류가 균일하게 흘러 균일하게 승온되도록 설계하기가 쉽지 않고 제작하기도 어렵다.

이에 반해, 인덕션 히팅 방법은 임의의 형태를 갖는 표면에 유도 전류를 발생시키는 것으로써 균일하고 신속히 승온시킬 수 있는 방법이다.

인덕션 히팅방법의 경우 그 특성상 유도되는 전류의 양이 거리의 제곱에 반비례하는 특성을 갖고 있어서 히터와 가까운 표면이 많이 승온되지만, 단열층이 없으면 열전달이 일어나서 온도상승이 쉽지 않다.

그러나, 본 발명에서는 단열층(17)을 그 배면에 갖고 있는 로우 서멀 매스(Low thermal mass)의 승온층(16)을 구성함으로써, 보다 더 구체화된 층(Layer)을 승온시킨다.

본 발명의 인덕션 히팅 방법에서 사용하고 있는 인덕션 히터는 고주파 가열에 쓰이는 가열코일 형태의 것으로 그 모양이나 크기는 금형 캐비티의 형태에 맞게 가변적일 수 있다.

즉, 도 7과 같이 사출성형의 경우 금형 캐비티 형태대로 인덕션 코일(23)을 제작하여 제작하여 사용할 수 있고, 또 중공성형의 경우, 도 15에 도시한 바와 같이, 내면의 열처리에 적당한 실린더의 형상으로 둥글게 기계 가공한 내권 코일 형태의 것을 사용할 수도 있다.

금형 캐비티에 대한 승온 단계에서 승온 중 단열을 시키지 않으면 승온이 늦게 되고, 또 온도 및 열에너지(thermal energy)의 제어가 어려워진다.

승온과 동시에 단열을 시킴으로써 성형에 필요한 에너지를 승온층에 저장시킬 수 있으며, 이때 너무 많이 단열을 시키면 냉각이 늦어지므로 적정한 두께의 단열층을 필요로 한다.

적극적인 방법으로 냉각단계 중 단열층의 마이크로 채널에 냉매를 순환시키는 경우에는 마이크로 채널 벽의 두께가 성형단계에서 셸에 변형이 생기지 않을 만큼만 얇아도 가능하다.

보통 승온층과 단열층은 각각의 열소모량이 다르고 열응력이 누적되는 등의 불균형에 의해 박리현상이 일어나게 되는데, 이러한 승온층 및 단열층 사이의 박리문제를 해소하는 방법으로 2층의 기능을 하나의 분리되지 않은 재료에 구성하는 방법을 채택하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 이러한 바람직한 방법을 제시하고 있다.

이를 위하여, 금형 본체(4)의 셸 수용부(10)로부터 설계된 임의의 두께, 예를 들면 6mm 정도의 두께를 갖는 셸(8)을 구비하여 금형 캐비티 면을 이루는 표면은 승온층(16)으로 구성하고, 그 배면에 폭이 예를 들어 0.6∼0.8mm 정도되는 마이크로 채널(15)을 기계 가공 또는 방전 가공하여 단열층(17)을 구성한다.

상기 단열층(17)은 그 배면의 마이크로 채널(15)이 조성하는 공기층을 단면대비 20∼90%, 바람직하게는 65∼70% 정도 확보할 수 있으며, 승온층(16)의 두께는 성형에 필요한 열에너지의 양에 상관되는데, 예를 들어 승온층의 두께가 1mm가 남아 있게 되도록 마이크로 채널(15)을 상기 셸(8)의 배면에 수평 또는 깊게 가공한다.

마이크로 채널(15) 대신에 마이크로 구멍(18)을 가공할 수도 있다.

특히, 상기 마이크로 채널(15)의 구조는 셸(8)의 배면에 수평 또는 수직방향으로 연속된 구조로 형성할 수 있으며, 각각의 마이크로 채널(15)은 서로 통하게 하거나 각각을 독립적으로 금형 본체(4)에 있는 냉각관(14 또는 20)과 연결하여 사용한다.

이렇게 가공된 셸(8)을 금형 본체(4)의 셸 수용부(10) 내에 삽입하고, 금형 본체(4)의 파팅면(6)에서 셸(8)과 금형 본체(4)의 경계(13)를 합체한다.

필요에 따라서는 셸 수용부(10)의 표면과 셸(8)의 배면 간을 합체한다.

이러한 셸(8)의 재질로는 인덕션 히팅이 가능한 철, 니켈, 코발트 등과 같은 자성체 재질을 사용하고, 금형 본체(4)의 재질은 열전도율이 높은 재질을 사용하는 것이 무난하나, 셸(8)과 동일한 재질을 사용하는 것도 가능하다.

즉, 금형 본체(4)의 재질을 셸(8)과 같은 재질을 사용하는 경우에도 인덕션 히팅시 떨어진 거리제곱에 반비례하므로 금형 본체(4)는 거의 발열되지 않는다.

여기서, 승온층의 두께는 열에너지의 양과 밀접한 관계가 있는데, 성형재료가 금형면과 접촉하였을 때 성형품의 품질을 향상시키거나 성능을 향상시키는데 필요한 최소의 금형면의 온도 및 에너지의 양, 즉 최소의 열에너지를 갖게 되도록 금형면의 서멀 매스를 설계하는데, 이때의 승온층의 두께는 셸의 재질, 설정온도, 단열 정도 등에 따라 설계한다. 열에너지를 많이 필요로 하면 승온층의 두께를 두껍게 설계한다.

이러한 점들을 고려하여 본 발명에서는 셸의 두께를 1∼25mm, 승온층(16)의 두께를 0.3∼5.0mm으로 설정하고 마이크로 채널(15) 또는 구멍(18)으로 인해 조성되는 공기층을 20∼90% 정도로 설정한 로우 서멀 매스의 셸(8)을 제공하는데 그 특징이 있다.

또한, 이렇게 승온층의 두께가 두꺼워서, 예를 들면 0.5mm 이상인 경우와 같이 박리의 문제가 없는 경우에는 금형가공 및 조립의 용이함을 위하여 승온층과 단열층을 일체형으로 하지 않고 마이크로 채널을 금형 본체(3)에 가공하고 이를 승온층의 배면에 합체되도록 삽입하여 조립하는 방법으로 만들 수도 있다.

한편, 금형 캐비티 표면 중에 승온되지 않아야 할 부분이 있다면 그 부분의 셸 구조를 비자성체로 만든다.

그러면 그 부분만 전류가 잘 유도되지 않고 따라서 승온되지 않는다.

본 발명에서 채택하고 있는 냉각방법은 다음과 같다.

성형 사이클 동안 승온 유체를 순환시키다가 냉각 유체를 번갈아 순환시키는 경우에는 관련 설비가 복잡해질 뿐만 아니라 전체 성형 사이클 시간이 길어지게 되므로, 본 발명에서는 성형 사이클 동안 금형 본체(4)를 계속 냉각하는 방법을 채택한다.

이를 위하여, 금형 본체(4)에 냉각관(14)을 설치하고, 그 속으로 냉매를 계속 흐르게 하여 냉각시키며, 또는 금형 본체(4) 뿐만 아니라 단열층(17)의 마이크로 채널(15)을 금형 본체(4)의 냉각관(14 또는 20)에 연결하여 냉각 유체가 단열을 위한 마이크로 채널(15)을 따라 흐르게 함으로써, 냉각을 보다 적극적으로 시킬 수 있다.

경우에 따라서 승온 전에 냉각관(20) 및 마이크로 채널(15) 내부의 냉각 유체를 압축공기 또는 진공으로 제거하여 승온효율을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 성형방법에서는 제품의 품질 및 기능 향상을 만족시키면서도 성형 사이클 시간은 짧게 설정할 수 있어서 성형 생산성을 높일 수 있다.

도 7에 도시한 바와 같이, 0.5∼20초 정도의 빠른 시간 내에 금형 캐비티 표면, 즉 셸(8)의 승온층(16)을 50∼400℃ 정도로 인덕션 히팅한 후 인덕션 코일(23)을 빼내면서 금형을 닫고, 성형재료를 주입하면 금형면과 성형재료의 접촉과 동시에 승온층(16)의 열에너지가 성형품의 품질 또는 성능을 향상시키는 작용을 하며, 연속적으로 일어나는 냉각단계를 거쳐 0.1∼20초 이내에 원하는 온도로 냉각시켜 성형품의 빠른 냉각 및 고화를 유도하면서 금형을 열고 성형품을 취출한다.

이때의 냉각단계에서는 로우 서멀 매스를 강제 냉각함으로써 성형 사이클 시간을 더욱 단축시킬 수 있다.

실시예를 살펴보면, 장치 전체를 도 8과 같이 구성하였고 원통형의 캐비티를 갖는 금형과 그 캐비티 표면을 가열하기 위한 유도 가열코일(23), 냉각을 위한 냉각수 라인(21) 및 가열시간 동안 냉각수를 빼내기 위한 압공라인(22) 등으로 구성되었다.

도 9는 금형의 구성을 도식적으로 자세히 보여주고 있다.

도 10은 캐비티 표면의 승온층(16)과 단열층(17)을 일체형으로 구성한 캐비티 표면의 셸(8)을 자세히 보여주는 도면이다.

도 11a 및 11b는 가열과 냉각과정에서의 시간에 따른 금형 캐비티 표면의 온도변화를 보여주는 그래프이다.

이경우 금형을 구성하는 재료는 일반 금형 탄소강이다.

유도 가열을 위한 유도 가열 전력은 18㎾, 주파수는 15.3㎑를 사용하였고, 냉각수 온도는 15℃이었다.

1.4초간 유도 가열하여 95℃의 캐비티 표면이 245℃로 승온되며, 도 11a는 단열층(17)의 마이크로 채널(15)에 특별히 냉각수를 넣지 않고 그냥 자연 냉각시킨 경우인데, 95℃로 냉각되는데 45초가 소요됨을 보이고 있고, 도 11b는 0.6초의 자연 냉각 후 냉각수를 순환시켜 강제 냉각시킨 경우인데, 0.5초만에 95℃로 냉각됨을 보이고 있다.

도 12a 및 12b는 도 11b를 좀더 잘 보이도록 확대한 것인데, 도 12a는 도 11b와 동일한 경우이고, 도 12b는 자연 냉각시간을 2.8초로 좀더 길게 자연 냉각 후 강제 냉각시킨 경우이다.

이러한 자연 냉각의 시간이나 온도 등은 성형품의 성능 및 품질을 최고로 발현시키기 위해 필요한 열에너지의 양에 따라 설정된다.

또한, 이러한 최적의 공정조건은 승온층 및 단열층의 칫수 및 금형재료 특성 등에 좌우된다.

다시 재가열할 때는 가열 효율을 높이기 위해 전 사이클에서 냉각을 위해 단열층에 흘렸던 냉각수를 압공 또는 진공을 이용하여 제거할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 성형방법과 금형은 인젝션 몰딩(사출성형), 블로우 몰딩(중공성형), 서모 포밍(열성형) 등에 활용할 수 있다.

블로우 몰딩에의 활용 예를 살펴보면 다음과 같다.

PET 병의 내열성을 높이는데 필요한 열고정(Heat Setting)공정에 본 발명을 활용하여 내열성이 높은 병을 빠른 성형 사이클 내에 성형할 수 있다.

미국 특허 제4476170호에서 200∼250℃ 열고정을 하면 상당히 높은 수준인 100℃ 이상에서의 내열성을 보이는 PET병을 생산할 수 있음을 보인다.

그러나, 미국 특허 제4476170호에서는 고온으로 승온하고 또 냉각시키는 과정을 승온 열매 및 냉각열매의 순환에 의존하고 있는데 이 경우 성형 사이클이 무척 길어 상업성이 저하된다.

여기에 본 발명을 활용하면 생산성이 우수하고 내열성이 우수한 PET 병을 제조 할 수 있다.

상세한 예는 도 13에 보이고 있다.

병의 몸체 부분은 본 발명의 셸(8)을 사용하여 250℃로 승온시키고 빨리 냉각시킬 수 있으며, 병의 목부분(24)이나 바닥부분(25)은 비자성물질로 셸을 구성하여 낮은 온도를 유지하거나 또는 승온층과 단열층의 두께를 병몸체 부분의 두께와 달리 설계하여 250℃보다는 낮은 온도를 유지할 수 있다.

인덕션 히팅은 인덕션 히터코일을 도 14와 같이 제조하여 사용하면 된다.

자세한 셸(8) 및 냉각관의 구성은 도 15와 16a 내지 16c에서 보여주고 있다.

도 15에서 셸(8)의 마이크로 채널의 방향은 도 15의 좌측 또는 우측 그림처럼 병의 길이방향 또는 둘레방향으로 만들어질 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 로우 서멀 매스를 갖는 승온층과 그 배면에 공기층을 갖는 단열층으로 구성되는 일체형의 셸을 금형 캐비티 표면으로 사용하고, 그 금형 캐비티 표면의 승온을 위하여 고온 유체 순환식 또는 고온 물체 접촉식을 사용하거나, 특히 제품의 형상에 관계없이 균일한 온도분포를 얻을 수 있는 인덕션 히팅방법과 단열층을 이용한 온도 제어 및 강제 냉각방법을 적용하여 짧은 시간에 승온 및 냉각시키고, 또한 균일한 온도분포를 얻으며, 기존의 박리현상과 같은 문제도 해결이 가능한 성형방법 및 금형을 제공함으로써, 성형 사이클 시간을 최소화하면서 성형품의 품질개선 및 성능향상을 도모할 수 있으며, 제품의 성형과 관련한 전반적인 성형 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 성형품의 품질 및 성능향상을 꾀할 수 있도록 거의 제한 없이 고온까지 적극적으로 승온시킬 수 있으며, 또한 성형에 필요한 열에너지에 맞도록 승온층 및 단열층을 설계할 수 있으므로 제어가 가능하며 적극적인 냉각과정을 통해 생산성을 향상시키고, 또한 승온층과 단열층을 하나의 재료에 구성함으로써 내구성 향상의 효과가 있으며 단열층을 포함한 금형을 용이하게 기계 가공 또는 방전 가공할 수 있으므로 산업적 실용성의 효과가 있다.

Claims (17)

1. 성형재료를 금형에 주입한 후 승온 및 냉각단계를 거쳐 성형품을 제조하는 과정을 포함하는 제품의 성형을 위한 방법에 있어서, 상기 승온 및 냉각단계에서 소정의 두께를 갖는 표면의 승온층과 20~90%의 공기층을 갖는 배면의 단열층으로 이루어진 일체형의 셸로 금형 캐비티 표면을 구성하는 과정과, 0.5∼20초의 시간 동안에 금형캐비티 표면을 50∼400℃의 온도로 인덕션 히팅하여 승온시키고, 금형 본체에 냉매를 순환시켜 냉각시키거나 좀더 적극적으로는 금형 캐비티 배면의 공기층에도 냉매를 순환시켜 냉각시키어 금형 캐비티 표면 온도를 0.1∼20초 이내에 냉각시키는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금형 캐비티 표면을 구성하는 과정에서 필요한 경우 승온층과 절연층을 이루는 상기 셸의 일부를 비자성물질로 대체하여 금형 캐비티 표면의 일부가 승온되지 않도록 할 수 있는 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 승온 및 냉각하는 과정에서 금형 본체에 구성된 냉각관을 통해 냉매를 항상 순환시키는 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각하는 과정에서 승온층 배면의 단열층의 공기층에 냉매를 순환시키는 방식으로 금형 본체 내의 냉각관 또는 별도의 냉각관을 구성하고 이를 공기층과 직접 연결시켜 냉매를 순환시켜 냉각을 수행하는 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 방법.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 승온 및 냉각하는 과정에서 승온 전에 단열층의 공기층 내의 냉매의 순환을 중지하고 압축공기 또는 진공으로 공기층 내의 냉매를 제거한 후 승온시키고 냉각 과정에 다시 냉매를 순환시키는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 방법.
6. 제품의 성형을 위한 금형은 캐비티를 포함하는 금형의 좌우 구성에 있어서, 좌 우 각각은 캐비티 표면의 역할을 하며 소정의 두께를 갖는 승온층과, 상기 승온층의 배면에 배열된 마이크로 채널 또는 마이크로 구멍으로 조성되는 단열층으로 이루어진 일체형의 셸을 포함하고 단열층이 밀착되는 금형 본체로 구성되는 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 셸의 재질은 인덕션 히팅이 가능한 자성체 재질인 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 셸은 금형 본체의 셸 수용부 내에 밀착되면서 좌우 금형의 사이인 파팅면을 이루는 면에서만 셸과 셸 수용부간의 경계선에서 합체되거나, 또는 상기 셸 배면과 셸 수용부가 모두 합체되어 일체로 조합되는 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셸의 두께는 1∼25mm 정도이고 승온층의 두께는 0.3∼10.0mm인 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 금형 캐비티를 구성하는 과정에서 단열층이 확보하는 공기층은 20∼90%인 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
11. 제 6 항에 있어서, 상기 마이크로 채널은 단열층의 배면에 직선형 또는 파형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
12. 제 6, 7, 8, 10, 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 채널은 폭이 0.3∼10.0mm 정도인 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
13. 제 6 항에 있어서, 상기 마이크로 구멍은 직경이 0.3∼10.0mm 정도인 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
14. 제 6 항에 있어서, 상기 금형 캐비티 표면을 구성하는 과정에서 필요한 경우 승온층과 절연층을 이루는 상기 셸의 일부를 비자성물질로 대체하여 금형 캐비티 표면의 일부가 승온되지 않도록 셸의 일부를 비자성물체로 대체할 수 있는 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
15. 제 6 항에 있어서, 상기 승온 및 냉각하는 과정에서 금형 본체에 구성된 냉각관을 통해 냉매를 항상 순환시키 위하여 금형 본체에 냉각관을 설치하는 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
16. 제 6 항에 있어서, 상기 승온 및 냉각하는 과정에서 공기층에 냉매를 순환시키는 방식인 경우, 금형 본체 내의 냉각관 또는 별도의 냉각관을 구성하고 이를 공기층과 직접 연결시켜 냉각을 수행할 수 있도록 금형 본체 내의 냉각관 또는 별도의 냉각관을 공기층과 직접 연결한 것을 특징으로 하는 제품의 성형을 위한 금형.
17. 제 1 항의 성형방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 성형품.